DE19745168B4 - Starting process for Stirling engines - Google Patents
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Abstract
Verfahren,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Verringern der Kaltstartzeit
bei Stirling-Motoren mit einem Hitzkopf, welcher mittels eines Brenners,
der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen
Wärmetauscher
mit Wärmeenergie versorgt
wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist,
gekennzeichnet
durch folgende Schritte,
(a) Betreiben des Stirling-Motors
als Wärmepumpe,
so dass sich der Hitzkopf erwärmt,
(b)
Starten der Luftversorgung des Brenners, so dass Luft durch den
Wärmetauscher
strömt
und abgasseitig den Abgaskatalysator erwärmt,
(c) Starten des Brenners,
und
(d) Umschalten des Stirling-Motors von dem Betrieb als Wärmepump
in einen Antriebsmodus.Method, in particular in a motor vehicle, for reducing the cold start time in Stirling engines with a hot head, which is supplied with heat energy by means of a burner, which has an air supply and an ignition system via a heat exchanger, wherein the burner has an exhaust gas catalyst on the exhaust side,
characterized by the following steps,
(a) operating the Stirling engine as a heat pump so that the hot head heats up,
(b) starting the air supply to the burner so that air flows through the heat exchanger and heats the exhaust gas catalyst on the exhaust side,
(c) starting the burner, and
(d) switching the Stirling engine from operating as a heat pump to a drive mode.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Verringern der Kaltstartzeit bei Stirling-Motoren mit einem Hitzkopf, welcher mittels eines Brenners, der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen Wärmetauscher mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Stirling-Motor, der einen Hitzkopf aufweist, welcher mittels eines Brenners, der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen Wärmetauscher mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist.The The invention relates to a method, in particular in a motor vehicle, to reduce the cold start time on Stirling engines with a Hitzkopf, which by means of a burner, the air supply and an ignition system has, over a heat exchanger with heat energy is supplied, the burner exhaust side an exhaust gas catalyst having. Furthermore, the invention relates to an arrangement, in particular in a motor vehicle, with a Stirling engine that is a hothead having, by means of a burner, the air supply and an ignition system has, over a heat exchanger with Thermal energy is supplied, the burner exhaust side an exhaust gas catalyst having.
Stirling-Stromaggregate werden insbesondere zur Reichweitenerhöhung von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen oder als Direktantrieb, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, verwendet. Dabei ist es besonders bevorzugt, daß der Hitzkopf der Stirling-Maschine mittels eines Brenners mit Wärmeenergie versorgt wird, so daß die Stirlingmaschine Arbeit leistet.Stirling generators be especially to increase the range of battery-powered Electric vehicles or as a direct drive, for example in motor vehicles, used. It is particularly preferred that the hothead of the Stirling engine by means of a burner with thermal energy is supplied, so that the Stirling engine does work.
Wegen der kontinuierlichen Verbrennung unter quasi atmosphärischen Bedingungen entstehen im Brenner wenig Schadstoffe, welche von den Abgasen des Brenners an die Umgebung abgegeben werden. Die Schadstoffkonzentrationen von modernen Brennern sind denen von Ottomotoren mit katalytischer Nachbehandlung vergleichbar.Because of continuous combustion under quasi-atmospheric Conditions arise in the burner little pollutants, which of the Exhaust gases of the burner are discharged to the environment. The pollutant concentrations of modern burners are those of gasoline engines with catalytic Post-treatment comparable.
Zur weiteren Verbesserung bzw. Verminderung der Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen des Brenners ist es aus der Dissertation "A Study on a Low Emission Combustor" von Johann Nilsson, Lund 1994, Schweden, bekannt, den Brenner zusätzlich abgasseitig mit einem Abgaskatalysator zu versehen, um auch extremste Abgasgrenzwerte einzuhalten.to further improvement or reduction of pollutant concentrations in the exhaust gases of the burner it is from the dissertation "A Study on a Low Emission Combustor "by Johann Nilsson, Lund 1994, Sweden, known, the burner additionally exhaust equipped with a catalytic converter to even the most extreme emission limits observed.
Es ist allerdings nachteilig, daß Stirling-Motoren lange Aufheizphasen benötigen, die etwa 30 bis 240 Sekunden bei Nennleistung des Brenners liegen. In dieser Aufheizphase ist die katalytische Wirkung des Abgaskatalysators noch nicht erreicht. Erst wenn letzterer seine Betriebstemperatur erreicht hat, erfolgt eine entsprechende katalytische Wirkung zur Verminderung der Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen des Brenners.It However, it is disadvantageous that Stirling engines need long periods of heating, which are about 30 to 240 seconds at nominal power of the burner. In this heating phase is the catalytic effect of the catalytic converter not reached yet. Only when the latter is at its operating temperature has reached, there is a corresponding catalytic effect to reduce the pollutant concentrations in the exhaust gases of the burner.
Aus
der
In
der
Für mit einem
Lineargenerator gekoppelte Stirling-Freikolbenmotoren mit Verdränger- und Arbeitskolben
ist es aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei ein abgasoptimiertes Startverfahren für Stirling-Motoren erzielt werden soll.Of the The present invention is therefore based on the object, a method and an arrangement of the above type available using an exhaust-optimized starting process for Stirling engines should be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der obengenannten Art mit den in Anspruch 1 angegebenen Schritten und durch einen Anordnung mit den in Anspruch 13 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.These The object is achieved by a Process of the abovementioned type with those specified in claim 1 Steps and by an arrangement having the features characterized in claim 13 solved.
Dazu sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:
- (a) Betreiben des Stirling-Motors als Wärmepumpe, so daß sich der Hitzkopf erwärmt,
- (b) Starten der Luftversorgung des Brenners, so daß Luft durch den Wärmetauscher strömt und abgasseitig den Abgaskatalysator erwärmt,
- (c) Starten des Brenners, und
- (d) Umschalten des Stirling-Motors von dem Betrieb als Wärmepump in einen Antriebsmodus.
- (a) operating the Stirling engine as a heat pump so that the hothead heats up,
- (b) starting the air supply to the burner so that air flows through the heat exchanger and heats the exhaust gas catalyst on the exhaust side,
- (c) starting the burner, and
- (d) switching the Stirling engine from operating as a heat pump to a drive mode.
Dies hat den Vorteil, daß Kaltstartemissionen weitgehend vermieden werden und die katalytische Wirkung des Abgaskatalysators im Brenner nach dem Anlassen des Striling-Motors sofort zur Verfügung steht.This has the advantage that cold start emissions largely be avoided and the catalytic effect of the catalytic converter in the burner immediately after starting the Striling engine is available.
Dazu wird in vorteilhafter Weise ohnehin meist in einer Batterie vorhandene, elektrische Energie dadurch genutzt, daß der Stirling-Motor mit einem Elektromotor, wie beispielsweise einem Anlasser, oder mit einem elektrischen Generator verbunden ist, wobei der Elektromotor oder der Generator als Antriebsmotor den Stirling-Motor in Schritt (a) antreibt.To is advantageously present anyway mostly in a battery, electrical energy used by the Stirling engine with an electric motor, such as a starter, or with an electric generator is connected, wherein the electric motor or the generator as a drive motor drives the Stirling engine in step (a).
Ein einfaches Verfahren ohne besonderen zusätzlichen apparativen Aufwand erzielt man dadurch, daß Schritt (a) durch Antreiben des Stirling-Motors in umgekehrter Richtung als in Schritt (d) erfolgt.One Simple process without special additional equipment one achieves that by step (a) by driving the Stirling engine in the reverse direction as in step (d).
Ein einfaches Starverfahren ohne notwendige Laufrichtungsumkehr des Stirlingmotors erzielt man dadurch, daß Schritt (a) durch Antreiben des Stirling-Motors in gleichsinniger Richtung wie in Schritt (d) erfolgt und die Gaskreisläufe des Stirling-Motors mittels Ventile umgeschaltet werden.A simple star process without the necessary reversal of the direction of rotation of the Stirling engine is achieved by step (a) by driving the Stirling engine in the same direction as in Step (d) takes place and the gas circuits of the Stirling engine are switched by means of valves.
In besonders bevorzugter Weise erzielt man ein wirkungsvolles Startverfahren dadurch, daß der Stirling-Motor ein Freikolbenmotor mit Verdränger- und Arbeitskolben ist und Schritt (a) durch Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben erfolgt.In particularly preferably, an effective starting process is achieved in that the Stirling engine a free-piston engine with positive displacement and Working piston is and step (a) by phase shift between expeller and working piston takes place.
In vorteilhafter Weise erfolgen dabei Schritt (b) und/oder Schritt (c) nach einer vorbestimmten Zeit. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Realisierung des erfindungsgemäßen Startverfahrens.In Advantageously, in this case, step (b) and / or step take place (c) after a predetermined time. This allows a simple and cost-effective implementation the starting method according to the invention.
In besonders vorteilhafter Weise erfolgt zwischen Schritt (a) und Schritt (b) der folgende zusätzliche Schritt,
- (a1) Messen der Temperatur des Hitzkopfes und Ausführen von Schritt (b), wenn der Hitzkopf eine erste vorbestimmte Temperatur erreicht hat;
- (b1) Messen der Temperatur des Abgaskatalysators und Ausführen von Schritt (c), wenn der Abgaskatalysator eine zweite vorbestimmte Temperatur erreicht hat.
- (a1) measuring the temperature of the hot-head and performing step (b) when the hot-head has reached a first predetermined temperature;
- (b1) measuring the temperature of the catalytic converter and performing step (c) when the catalytic converter has reached a second predetermined temperature.
Die hat den Vorteil, daß immer eine ausreichend lange Aufheizphase bis zur sicheren Erreichung der Betriebstemperatur aller Teile gewährleistet ist, unabhängig von unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen.The has the advantage that always a sufficiently long heating up to the safe achievement the operating temperature of all parts is guaranteed, regardless of different environmental conditions.
Bei einer o.g. Anordnung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß am Stirling-Motor Ventile vorgesehen sind, welche bei gleichbleibender Betriebsrichtung des Stirling-Motors die Gaskreisläufe des Stirling-Motors umschalten, so daß der Stirlingmotor als Wärmepumpe Arbeitet, d.h., daß sich der Hitzkopf erwärmt. Dies hat den Vorteil, daß am Ende der Aufwärmphase zum Umschalten auf den normalen Betrieb, keine Laufrichtungsumkehr der Stirling-Maschine erfolgen muß.at an o.g. Arrangement, it is inventively provided that the Stirling engine Valves are provided, which at the same operating direction the Stirling engine to switch the gas circuits of the Stirling engine, so that the Stirling engine as heat pump Works, that is the hothead warmed up. This has the advantage that on End of the warm-up phase to switch to normal operation, no reverse direction the Stirling machine must be done.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in einer Schnittansicht einen Brenner zum Betrieb eines Stirling-Motors.Further Features, advantages and advantageous embodiments of the invention arise from the dependent ones claims, and from the following description of the invention with reference to the attached Drawing. This shows in a sectional view of a burner for Operation of a Stirling engine.
Der
Brenner
Am
Brennraum
Die Erfindung basiert im wesentlichen darauf, einen Großteil der Energie zur Aufheizung nicht über den Betrieb eines noch kalten Brennersystems zuzuführen, sondern über einen reversiblen Antrieb des Stirling-Motors mittels eines elektrischen Antriebs, wie einem Anlasser oder einem Generator oder ähnlichem, wie einem Stromerzeuger in einem Elektrofahrzeug. Die Katalyse kann somit sofort nach Brennerstart einsetzten, was die Kaltstartemissionen erheblich reduziert oder ganz vermeidet.The Invention is essentially based on much of the Energy for heating is not over to supply the operation of a still cold burner system, but over a reversible drive of the Stirling engine by means of an electric Drive, such as a starter or a generator or the like, like a power generator in an electric vehicle. Catalysis can thus started immediately after burner start, what the cold start emissions significantly reduced or completely avoided.
Die Startwärmeversorgung erfolgt dabei erfindungsgemäß entweder durch Umschaltung der Arbeitkreisläufe des Stirling-Motors mittels Ventile unter Beibehaltung der Drehrichtung des Stirling-Motors oder durch Drehrichtungsumkehr des Stirling-Motors beim Anlaßvorgang bzw. in der Aufheizphase.The Start heating supplies takes place according to the invention either by switching the working circuits of the Stirling engine by means of Valves while maintaining the direction of rotation of the Stirling engine or by reversing the direction of rotation of the Stirling engine during the starting process or in the heating phase.
In
beiden Fällen
arbeitet der Stirling-Motor als Wärmepumpe. Die Wärme wird
einem Kühlkreislauf
entzogen und dem Hitzkopf des Stirling-Motors zugeführt. Da
der Hitzkopf in Kombination mit dem Wärmetauscher
Nachdem
der Wärmetauscher
Sobald
der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat oder kurz
vorher, beginnt die Zuführung
von Kraftstoff
Bei
der Verbrennung entstehende Abgase
Das beschriebene Startverfahren kann sinngemäß auch auf Freikolbenmotoren angewendet werden. Hierbei ist durch Steuerung einer Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben der Motor auf Wärmepumpenbetrieb umzuschalten. Die Umsteuerung kann beispielsweise allein durch Softwareänderung im Wechselrichter des Lineargenerators geleistet werden, ohne zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand.The described start method can also apply mutatis mutandis to free-piston engines be applied. This is by controlling a phase shift between displacer and working piston of the engine to switch to heat pump operation. The reversal can, for example, solely by software change be done in the inverter of the linear generator, without additional tech equipment Effort.
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